Splątanie kwantowe – proste wyjaśnienie

Wielu o nim pisze, wielu dyskutuje, ale właściwie przeciętny, wykształcony człowiek na ogół nie rozumie czym właściwie jest splątanie kwantowe. Czy jest jakiś sposób na zrozumienie tego dziwacznego zjawiska? Spróbuję je wyjaśnić, łącząc dwa pojęcia znane z lekcji fizyki: prawa zachowania i tzw. superpozycje kwantowe.

O prawach zachowania jest dużo w programach szkolnych nauczania fizyki więc wszyscy ci, którzy mieli szczęście uczęszczać na lekcje fizyki (co w naszej rzeczywistości nie jest całkiem oczywiste) powinni raczej znać prawo zachowania energii. Gorzej będzie z superpozycjami kwantowymi.

Zaczynamy od początku – zasada zachowania energii

Człowiek od tysiącleci zdawał sobie sprawę,  żeby przesunąć głaz, chodzić przez cały dzień za zwierzyną, uprawiać pole, traci siły witalne, które musi od czasu do uzupełniać  jedząc. Kilka lub może kilkadziesiąt tysięcy lat później w XVIII wieku, trochę bardziej wykształcony człowiek nauczył się mierzyć te siły witalne i nazwał je energią.

Generalnie i bardzo skrótowo energia to ruch, masa i siły statyczne typu naprężenie, nacisk itp.  (ten rodzaj energii jest często nazywany energią potencjalną), które mogą zostać zamienione w ruch. I tak na przykład: energię posiada poruszający się kawałek materii – jest to energia kinetyczna; formą energii jest masa – zgodnie z równaniem Einsteina E=mc2. Energią jest też ciepło definiowane jak energia kinetyczna wszystkich atomów znajdujących się w jakimś obiekcie. Czasami fizycy mówią o energii oddziaływania: to właśnie przykład energii potencjalnej, która może być zamieniona na ruch.

Wszystkie formy energii mierzymy tą samą jednostką a mianowicie Joulem. Jeden Joule to energia jaką zużyjemy do podniesienia masy 10 dekagramów na wysokość 1 metra. Nie jest to zbyt dużo: potrzeba na przykład 4,18 J aby podgrzać naparstek wody o 1 stopień Celsjusza – ta energia jest nazywana kalorią (nie mylić z kalorią występującą w języku potocznym dla określenia kaloryczności pokarmów, tam w rzeczywistości mamy do czynienia z kilokalorią czyli tysiącem zwykłych, używanych w fizyce kalorii)

Bez względu na to jakich jednostek użyjemy, podstawowe prawo fizyki mówi, że energia odizolowanego kawałka wszechświata pozostaje stała.

Energia może zmieniać formę: np z oddziaływania na ruch czy ciepło. Jednak suma energii cały czas powinna pozostać niezmienna. Na przykład jeśli na dachu budynku znajduje się cegła i posiada energię potencjalną (np 400J), to spadając będzie się poruszać z rosnącą prędkością a energia potencjalna będzie zamieniać się w ruch (energię kinetyczną) aż do momentu, gdy cegłą uderzy w powierzchnię ziemi i cała jej energia kinetyczna (400J) zostanie zamieniona na ciepło, które podgrzeje samą cegłę i jej otoczenie. Cały układ (cegła – Ziemia – otaczające powietrze) ma niezmienną energię: ostatecznym wynikiem ciągu zdarzeń będzie to że cegłą straci swoją energię potencjalną na rzecz wzrostu temperatury swoich szczątków, ziemi i atmosfery.

Wyobraźmy sobie dwóch przyjaciół: Marka i Arka i parę atomów, którą fizycy przygotowali tak, aby suma ich energii wynosiła 100 jednostek. Obaj przyjaciele zupełnie losowo wybrali po atomie i polecieli na w odległe rejony wszechświata. W ustalonym dniu, obaj zmierzyli energię swoich atomów. Marek stwierdził że jego atom ma energię 40 jednostek. Tym samym natychmiast dowiedział się że atom Arka ma energię 60 jednostek: nie wymieniał żadnych informacji z Arkiem ani z jakimś centrum kosmicznym i mimo że obu przyjaciół dzieliła ogromna odległość powiedzmy, 100 lat świetlnych. Pomiar energii atomu Marka jest wystarczający by poznać energię atomu Arka. Czy jakakolwiek informacja została w tym przypadku natychmiast, nieskończoną prędkością ? Odpowiedź brzmi nie.  W rzeczywistości bowiem do wymiany informacji między przyjaciółmi doszło jeszcze na Ziemi gdzie dowiedzieli się że suma energii ich atomów wynosi 100 jednostek. Całkowita energia została ustalona raz na zawsze, później żadna wymiana informacji nie byłą konieczna.

Superpozycja kwantowa i jej konsekwencje

Mechanika kwantowa, której dziwaczne prawa są zauważalne dopiero w przypadku małych obiektów takich jak cząstki, atomy i cząsteczki, ma nieco inny pogląd na wielkości, które możemy mierzyć (takie jak np. energia). Okazuje się bowiem, że absolutnie fundamentalną cechą tej teorii jest „niepewność” co do wartości jakiejś wielkości fizycznej, aż do momentu gdy zostanie ona zmierzona.

Oznacza to, że obiekt taki jak atomy, mogą mieć nieustaloną (nieznaną) energię, przez cały okres podróży do Marka i Arka do odległych galaktyk. Wygląda to mnie więcej tak, że Marek i Arek dowiadują się że suma energii ich atomów wynosi 100, ale w trakcie podróży atom Marka może mieć dowolną energię np 20 jednostek a za chwilę 40 albo nawet 100. Dopóki Marek nie zmierzy tej wartości – nie zna jej. Jeśli jednak w pewnym momencie podróży nie wytrzyma napięcia i zmierzy energię swojego atomu a pomiar pokaże mu np. 30 jednostek, może mieć pewność, że atom Arka ma energię 70 jednostek. Być może gdyby dokonał pomiaru parę sekund wcześniej czy później, pomiar energii wskazał by na 80 jednostek, ale wtedy na pewno atom Arka miałby energię równą 20 jednostek.

Uważny czytelnik zapyta pewnie, skąd wiadomo że atom Arka miałaby energię 60 bądź 20 jednostek przecież Arek nie dokonywał pomiaru w tej samej chwili. Moment pomiaru wybierał znerwicowany Marek zupełnie przypadkowo. Żeby dokonać pomiaru w tym samym czasie u Arka, należałoby mu przesłać informację w stylu: „słuchaj, Marek przeprowadził pomiar, czy ty też mógłbyś go przeprowadzić?”.  Przesłanie tej informacji trwało by jednak zbyt długo aby móc mówić o jednoczesnym pomiarze. Ale ten jednoczesny pomiar wcale nie jest potrzebny.

Jeśli Marek w zupełnie przypadkowo wybranej chwili dokonał pomiaru i wyszło mu 20 jednostek energii, to Arkowi wyjdzie na pewno 80 jednostek. Okazuje się bowiem, że od chwili pomiaru oba atomy zachowają swoje ustalone energie na zawsze. Tak jakby pomiar Marka spowodował natychmiastowe ustalenie energii atomu Arka, mimo, że ten znajduje się wiele lat świetlnych od niego.

Kolejny uważny czytelnik zauważy, nie mamy pewności, że gdyby Marek wybrał inną chwilę energia byłaby inna – być może też wynosiłaby ona 20 jednostek. Wynikałoby z tego że fizycy przygotowali atomy z energiami odpowiednio 20 i 80 jednostek a więc nie ma tu żadnej magii.

Obawiam się jednak,  że gdyby fizycy przygotowywali dokładnie tak samo pary atomów i wręczaliby je Markowi i Arkowi wysyłając ich w kosmos,  za każdym razem wynik pomiaru byłby inny: Marek i Arek stwierdzaliby różne energie swoich atomów, chodź suma ich energii była taka sama.

Takie i podobne doświadczenia przeprowadzano. Potwierdzają one, że identyczne układy w identycznych warunkach zachowują się różnie. Jednocześnie nasze dwa atomy wydają się być związane niewidzialnym oddziaływaniem, które powoduje, że pomiar wykonany na jednym automatycznie determinuje wynik pomiaru dokonywany na drugim atomie. Ten związek (oddziaływanie) nazywamy właśnie splątanie kwantowym.

Matematycznie i kwantowomechanicznie każdy atom z pary, nie ma bowiem określonej energii a jest scharakteryzowany sumą stanów o różnych energiach. Na przykład atom Marka może mieć 30% szans że ma energię 10J, 40% szans, że ma energię 60J i 30% szans że jego energia wynosi 30 J. To jest właśnie superpozycja, czyli właściwie lista możliwości zawierająca stany i prawdopodobieństwa że obiekt znajduje się w poszczególnych stanach. Przeprowadzając pomiar energii atomu trafiamy zupełnie przypadkowo, na jedną z wielu możliwości. Jeśli jednak atomy Marka i Arka są splątane, to przypadkowy wybór Marka (pomiar), natychmiast determinuje to co zmierzy Arek.

Jest to jedno z wielu nieintuicyjnych zjawisk, na jakie naraża nas kontakt z mechaniką kwantową. Z jednej strony wyczuwamy, że coś tu w tym wszystkim nie gra,(nie do końca wierzymy że pary atomów Marka i Arka były przygotowywane w ten sam sposób) z drugiej nie możemy znaleźć żadnego sensownego wyjaśnienia przeprowadzonych eksperymentów wskazujących na to, że pomiar wykonany na jednym z atomów całkowicie determinuje pomiar na drugim.

 

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Dodaj komentarz